核電站裝卸料模擬機的設計與開發

趙鵬程+張皓+陳明+覃坤+彭波+李希+覃華

摘要：文章依據核電廠對于裝卸料技能培訓的需求，提出了一種核電站裝卸料培訓系統的設計與開發過程。該系統將儀控、仿真與虛擬現實等多種技術結合，以實體控制盤臺與人機交互界面作為輸入輸出，以虛擬設備作為輸出響應以表現其運動過程，以教控臺作為控制與教學輔助，實現了核電站裝卸料的自動化。

關鍵詞：核電站；裝卸料；培訓系統；模擬機；虛擬設備；教控臺 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2015）15-0011-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.006

1 概述

裝卸料技能培訓是核電廠技能培訓的一個重要環節。傳統的書本教學對于學員來說缺少實物操作體驗，培訓效果欠佳。而按照現場建造一個實際的培訓環境，則工程量巨大，并非一個良好的解決方案。

伴隨著仿真技術的發展，尤其是虛擬現實技術在仿真領域的應用，基于仿真技術的裝卸料模擬機開發被提出。裝卸料模擬機具有實體的操作盤臺以及人機交互界面，讓培訓人員能夠實際動手演練，加快操作的熟練程度，還利用虛擬的裝卸料機與廠房環境，增強培訓人員身臨其境的體驗，同時也讓教員能通過虛擬的設備來監測學員的操作情況。裝卸料模擬機還具備教控臺，教員通過教控臺可以實時地對裝卸料的條件和場景進行調度控制，使學員能夠應付各種操作要求。

因此，可以說裝卸料模擬機相對于傳統的書本教學與實體培訓設備來說是一個折中的方案，它具有良好的培訓效果，并具有成本低、工期短、維護方便的特點。

2 設計思路

2.1 系統總體設計

裝卸料模擬機各組成部分包含實體控制臺、人機交互界面軟件、教控臺軟件、邏輯控制軟件、虛擬設備軟件。各個部分之間的關系結構如圖1所示：

圖1 系統關系結構圖

裝卸料模擬機系統設計包含以下方面的內容：控制臺設計、人機界面設計、邏輯控制程序設計、教控臺設計、虛擬設備設計、數據通訊設計。

2.2 控制臺設計

裝卸料模擬機控制臺按照實際的裝卸料機操作臺設計，控制臺機柜按照1∶1仿制。實體控制臺上的按鈕、操縱桿、顯示屏等零部件采用國內仿制和原廠采購兩種方式實現，包括大小車操縱桿、提升機操縱桿、抓具開關、旁路開關、大小車位置顯示屏等。

控制臺內部安裝有數據采集模塊，將控制臺上的AO、DO設備信號發送到邏輯控制程序當中，并接受來自控制程序的AI、DI信號顯示到控制臺對應的元件中。具體的信號分類將在2.4邏輯控制程序中介紹。以典型壓水堆核電站裝卸料機控制臺為仿制對象的實物控制臺包含5塊數碼顯示表、2個顯示（觸摸）屏、3個操縱桿以及若干自復位按鈕、自保持按鈕、旋鈕開關、指示燈、蜂鳴器等元件。

2.3 人機交互界面程序設計

人機交互界面依據實際的裝卸料機人機界面規格書設計。使用Windows下的VC2005工具進行開發，界面圖像元素通過GDI函數繪制，在程序后臺啟動數據通訊模塊，與邏輯控制程序進行數據通訊，以實現指令輸入和狀態顯示。

攝像機畫面是人機交互界面程序的一個三維顯示模塊，它采用三維虛擬方式模擬攝像機畫面，輸出到控制臺顯示屏中，能夠通過遙控器控制攝像機的縮放、旋轉、通道切換等操作。

典型壓水堆裝卸料模擬機人機交互界面內容包括主屏幕界面、提升機屏幕界面、自動運行屏幕界面、故障屏幕界面、裝卸料機偏移操作界面、攝像機畫面。

2.4 邏輯控制程序設計

邏輯控制程序依據裝卸料機系統PLC程序，采用RinSim仿真平臺下的SimGen圖形化建模工具進行開發。控制程序承擔了整個裝卸料模擬機數據的計算與流通，是裝卸料模擬機系統組成的核心部分。控制程序的運行環境下，同時啟動數據通訊模塊，以實現與裝卸料模擬機其他模塊的數據交換。控制程序提供AO、DO、AI、DI變量列表，其定義如下，并舉例說明：（1）AO：傳入控制程序的模擬型變量，如大車操縱桿偏移量、小車目標位置、提升機當前負載；（2）DO：傳入控制程序的數字型變量，如互鎖旁路開關、裝卸料機自動運行、抓具嚙合開關信號；（3）AI：由控制程序傳出的模擬型變量，如大車當前速度、堆芯分布、大車當前位置；（4）DI：由控制程序傳出的數字型變量，如大車運動方向、抓具釋放指示燈、載荷釋放信號、系統故障信號。圖2列舉的是RinSim仿真平臺下的控制程序中的某個模塊，通過可視化的編輯工具，可以非常便捷地對程序進行編寫和調試。典型壓水堆裝卸料模擬機控制系統中，包含有設備初始化、區域初始化、位置編碼器控制、區域設置、系統錯誤、設備控制、自動運行控制、堆芯控制、偏移操作控制等模塊。

圖2 可視化邏輯控制程序

2.5 虛擬設備程序設計

虛擬設備系統采用三維渲染的方式模擬反應堆廠房內部設施，主要用于監視裝卸料過程中反應堆廠房內部設備的運行。其開發環境為VC2005，并加載Eon Reality三維引擎實現三維處理。模擬范圍主要包括反應堆廠房內部土建結構、反應堆、上部構件水池結構、裝卸料機大車、小車、主提升機、套筒、抓具、傾翻機、反應堆堆芯結構、燃料組件、反應堆頂蓋、上部構件、蒸汽發生器其中裝卸料機大車、小車、主提升機、抓具、燃料組件等設備加入了運動控制腳本，可以接收來自外部速度信號，驅使各設備運行，并能夠處理加速度、負載運算、碰撞等細節，以逼近實際場景。

2.6 教控臺設計

教控臺采用RinSim平臺下的SIMIS軟件進行開發改造，教控臺主要給教練員提供一個培訓控制平臺，它可以設置裝卸料模擬機的各種場景與狀態，以適應不同的教學需求，教控臺具備以下功能：裝卸料場景的實時保存和復位、設置堆芯分布、教案編制、考核、評分、控制臺開關校驗、故障插入（包括各種機械故障、人為故障）。endprint

2.7 數據通訊設計

裝卸料模擬機以Windows環境下的人機操作界面程序（HMI）作為整個系統的通訊服務器，負責與控制程序（PLC）即模擬機主控程序、控制臺（Console）、虛擬設備（Device）之間的數據傳輸。通訊結構圖與實現方式如圖3所示：

圖3 數據通訊結構圖

2.7.1 控制程序與人機界面。由于通訊要求跨平臺，使用基于網絡協議方式實現數據通訊。控制程序建立TCP服務端，人機界面建立客戶端，連接到控制

程序。

2.7.2 控制臺與人機界面。控制臺配備數據采集卡，數據采集設備將硬件盤臺中的開關、按鈕、推桿、等設備產生的物理信號轉化成數字信號，通過TCP/IP網絡協議實現與人機界面程序的數據交換。

2.7.3 虛擬設備與人機界面。虛擬設備程序與人機界面使用TCP/IP網絡協議的方式實現通訊，人機界面程序將位置信息發送到虛擬設備程序，驅動設備運行。

2.7.4 控制程序與教控臺。兩者同處在一個RinSim仿真平臺下，采用共享內存方式實現教控臺與控制程序之間的數據交換。

3 關鍵技術

裝卸料模擬機由于系統組成復雜，對仿真的精度要求高，在實際的開發過程遇到并解決了以下四個關鍵

問題：

3.1 裝卸料機PLC程序移植

裝卸料模擬機的邏輯控制程序開發是使用RinSim平臺下的SimGen圖形編輯工具將實際裝卸料機PLC程序移植。由于平臺的差異性，代碼的移植和調試占用整個項目的大部分時間，由于SimGen工具對PLC程序支持尚未完善，裝卸料模擬機在保證控制邏輯正確、完整的基礎上，對程序做出了部分適應性修改，并對工具做出了部分改進。

3.2 控制程序I/O點的確定

控制程序的I/O點通過配置文件記錄，由于裝卸料機的技術規格書上并沒有定義PLC的I/O，所以是通過研讀PLC程序，根據各層邏輯關系確定變量點，不斷完善來I/O配置文件。例如：由控制臺上的某個指示燈需要某個DI變量來驅動，便在控制程序中找出該變量，列入DI配置文件中。人機界面中某個功能按鈕需要向控制程序發送指令，便在控制程序中找到與該指令相關聯的變量，列入DO配置文件中。

3.3 虛擬設備的加速度處理

為了達到與真實設備相似的物理特性，虛擬的設備對加速度進行了處理。設備的控制腳本中，加入了三維畫面的幀處理函數，該函數在每一幀后調用，函數首先將幀的耗時乘以加速度，作為速度變化，然后將設備的速度加上速度變化，以新的設備速度，該方法可以較為精確地模擬出在一定加速度下，設備的速度變化過程。

3.4 人機界面虛擬模塊與虛擬設備同步

為實現攝像機畫面，在人機界面程序內集成了一個虛擬設備，簡稱為Device0。人機界面程序將從控制程序獲取到的AI、DI變量發送給自身的Device0，同時以UDP網絡協議的方式發送給獨立虛擬場景程序Device。Device僅僅只是接收消息實現與Device0同步并顯示，而水下攝像頭虛擬信號和反饋到控制程序的AO、DO信號實際上由Device0提供。

4 結語

綜上所述，裝卸料模擬機有如下特點：（1）利用實體控制臺仿制裝卸料機控制臺的外型以盤臺儀表；（2）采用計算機程序模擬控制臺人機界面；（3）利用RinSim仿真平臺下的SimGen工具生成邏輯控制算法；（4）采用教控臺實現場景設置、過程監控、故障設置等功能；（5）利用虛擬現實技術建立虛擬反應堆廠房內部設備，作為設備操作的響應輸出，以實現裝卸料環境的整體監控功能。

因此，裝卸料模擬機利用儀控技術、過程仿真技術、虛擬現實技術等相結合的方式，建立了一套以仿制的控制盤臺與人機界面作為輸入輸出、以三維設備模型作為輸出響應、以教控臺作為教學輔助的裝卸料過程培訓系統。在高精度仿真的基礎上，實現了可操作、可視化、可交互、且具備教學功能的培訓方式。

根據以上的設計思路與關鍵技術解決方法，以某典型壓水堆核電機組為數據參考對象的裝卸料模擬機完成開發并投入使用，用于某核電站裝卸料人員培訓。使用報告表明：壓水堆核電站裝卸料模擬機使用情況良好，培訓人員能夠通過該系統熟悉反應堆裝卸料過程，并能夠用來實現并處理裝卸料過程中遇到的各種問題，為核電站裝卸料的預備人員提供了一個較好的培訓手段。

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作者簡介：趙鵬程（1981-），男，湖北當陽人，中核武漢核電運行技術股份有限公司工程師，研究方向：核電虛擬仿真技術；張皓（1983-），男，湖北武漢人，中核武漢核電運行技術股份有限公司工程師，碩士，研究方向：虛擬仿真

技術。

（責任編輯：周 瓊）endprint